(57)【要約】      （修正有）【課題】基板を非ニュートン流体により洗浄する方法を提供する。【解決手段】供給ユニット７０４の表面と基板７０２の表面との間を流動する非ニュートン流体は、隙間７０６に渡って非ニュートン流体に加わる剪断応力より大きな降伏点を有する。したがって、流動の多くの量が栓流となる。言い換えると、栓流となる流動の一部は、実質的に、供給ユニット７０４の表面と基板７０２の表面との間に広がる。したがって、流動の流速プロフィールは、実質的に均一となる。一実施形態において、「実質的」という用語は、栓流が表面間の約８０％から１００％に及ぶことを意味する。【選択図】図９
2006352130.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を洗浄する方法であって、
チャンバに非ニュートン流体を充填するステップと、
前記チャンバ内に前記基板を配置するステップと、
少なくとも一部が栓流となる前記非ニュートン流体の流動を形成するために追加の非ニュートン流体を前記チャンバに押し入れるステップと、を備え、栓流となる前記流動の一部が前記基板の表面を移動して、前記表面からの粒子の除去を可能にするように、前記基板がチャンバ内に配置される方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、
前記基板は、前記非ニュートン流体が前記チャンバを流動可能である間、前記チャンバ内に保持される方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法において、
前記基板は、前記非ニュートン流体中で浮遊しており、前記非ニュートン流体は、前記基板を支持可能である方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法において、
栓流となる前記流動の一部内の流速は、実質的に均一である方法。
【請求項５】
前記栓流は、前記流動の約全量にわたる、請求項１記載の方法。
【請求項６】
請求項１に記載の方法において、前記非ニュートン流体は、軟質凝縮物質として定義される方法。
【請求項７】
請求項１に記載の方法において、
前記非ニュートン流体の前記流動の方向は、前記基板の前記表面に対して実質的に平行である方法。
【請求項８】
基板を洗浄する方法であって、
前記基板の表面上方に供給ユニットの表面を配置するステップと、
前記供給ユニットの前記表面と、前記基板の前記表面との間に非ニュートン流体の流動を供給するステップと、を備え、前記流動の少なくとも一部は栓流となり、栓流となる前記流動の一部は、前記基板の前記表面を移動して、前記基板の前記表面からの粒子の除去を可能にする方法。
【請求項９】
請求項８に記載の方法において、
栓流となる前記流動の一部が、実質的に、前記供給ユニットの前記表面と前記基板の前記表面との間に広がる方法。
【請求項１０】
請求項８に記載の方法において、
前記非ニュートン流体は、フォーム、コロイド、及びエマルジョンの一つ以上として定義される方法。
【請求項１１】
請求項８に記載の方法において、
前記非ニュートン流体は、フォームの流出を制限するように構成されたフォームとして定義される方法。
【請求項１２】
基板を洗浄する方法であって、
少なくとも一部が栓流となる非ニュートン流体の流動を提供するステップと、
栓流となる前記流動の一部に前記基板の表面を接触させ、栓流となる前記流動の一部が前記表面を移動して、前記表面からの粒子の除去を可能にするように配置するステップと、を備える方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の方法において、
前記非ニュートン流体の前記流動の方向は、前記基板の前記表面に対して実質的に平行である方法。
【請求項１４】
請求項１２に記載の方法において、
前記基板を前記非ニュートン流体の前記流動内に浸漬させる方法。
【請求項１５】
基板を洗浄する装置であって、
前記基板の表面上方に配置されるように構成され、非ニュートン流体を受け入れるように構成された供給ユニットを備え、前記非ニュートン流体は、前記供給ユニットと前記表面との間に前記非ニュートン流体の流動を形成するために前記表面に供給可能であり、前記流動は、栓流となる部分を有し、前記栓流は前記表面を移動して、前記表面からの粒子の除去を可能にする装置。
【請求項１６】
請求項１５に記載の装置において、
前記供給ユニットは、前記表面に近接して配置されるように構成される方法。
【請求項１７】
基板を洗浄する装置であって、
一部が栓流となるように非ニュートン流体の流動を輸送可能な導管状の空洞を有し、前記栓流が前記基板の表面を移動して前記表面からの粒子の除去を可能にするように前記基板を収容するチャンバを備える装置。
【請求項１８】
請求項１７に記載の装置において、
前記チャンバと前記基板の前記表面との間の隙間は、約５０ミクロンから約１０ミリメートルの範囲の高さを有する装置。
【請求項１９】
請求項１７に記載の装置は更に、
前記チャンバの壁において、前記非ニュートン流体を前記チャンバへ注入するように構成された導入口を備える装置。
【請求項２０】
請求項１７に記載の装置において、
前記チャンバは、前記基板を受け入れ可能な第一の開口部を定める導入端部と、前記基板を排出可能な第二の開口部を定める排出端部とを有する装置。
【請求項２１】
請求項２０に記載の装置は更に、
前記第二の開口部に近接し、前記基板の縁部を受け、前記栓流が前記基板の前記表面を移動する間に、前記基板の移動を防止するように構成された、前記チャンバ内の保持ピンを備える装置。
【請求項２２】
請求項２０に記載の装置は更に、
前記第一の開口部を密封するように構成された、前記第一の開口部に近接するパネルを備える、装置。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
半導体デバイス製造処理を通じて、半導体ウェーハは、堆積システムからの汚染物等の粒子を半導体ウェーハ表面から除去するために洗浄される。粒子が除去されない場合、粒子は、半導体ウェーハを汚染し、半導体ウェーハ上の電子デバイスに損傷を発生させる。そのため、洗浄工程は、製造処理を通じて何度も繰り返される非常に重要なステップとなる。
【０００２】
半導体ウェーハを洗浄する一つの方法は、半導体ウェーハの表面を脱イオン水により濯ぐことである。しかしながら、水を用いた半導体ウェーハの洗浄は、ほんの僅かな量の汚染を除去するために大量の水を使用する処理であるため、極めて非効率的である。具体的に言えば、非効率性は、水のニュートン特性により生じる。図１は、水の剪断応力及び剪断歪みの図である。剪断応力及び剪断歪みの図は、剪断歪み速度に対する剪断応力をプロットした図である。図１に示すように、水の剪断歪み速度及び剪断応力は、図において直線としてプロットされる。したがって、水（及び全てのニュートン流体）は、剪断歪み速度に直線的に比例する剪断応力を有することにより特徴付けられる。プロットは、図の起点１０１を通る。したがって、水に加えられた任意の有限な応力により、流動を引き起こすことができる。言い換えれば、水は、水の流動を引き起こすのに必要な最小限の力である降伏点が最小であるか、或いは降伏点を有していない。
【０００３】
図２は、半導体ウェーハ２０２の表面上での水の流動に関する流速プロフィールを示す図である。図２に示すように、水は事実上降伏点を有していないため、半導体ウェーハ２０２の表面に接触する水の速度は、実質的にゼロであり、半導体ウェーハから遠く離れるほど速度が増加する。したがって、水は、基本的には、半導体ウェーハ２０２の表面との接触点において停滞している。半導体ウェーハ２０２表面のすぐ上の水が移動していないため、水の流動には、半導体ウェーハの表面にある粒子を運び去る仕組みは存在しない。したがって、半導体ウェーハ２０２の表面において何らかの有意な速度を形成し、表面から粒子を除去できるようにするには、大量の水流が必要となる。
【０００４】
上記を鑑みて、より効率的に流体を使用して半導体ウェーハを洗浄する方法及び装置を提供する必要性が存在する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
大まかに言って、本発明は、基板を洗浄する方法及び装置を提供することで、こうした必要性を満たす。本発明は、方法、システム、又はデバイスを含む多数の形で実施できる。本発明のいくつかの実施形態について、以下で説明する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第一の態様によれば、基板を洗浄する方法が提供される。この方法では、非ニュートン流体の流動が提供され、流動の少なくとも一部は栓流となる。基板の表面から粒子を除去するために、基板の表面は、栓流となる流動の一部が基板の表面を移動するように、栓流となる流動の一部と接触して配置される。
【０００７】
本発明の第二の態様によれば、基板を洗浄する方法が提供される。この方法では、チャンバに非ニュートン流体を充填し、チャンバ内に基板を配置する。その後、少なくとも一部が栓流となる非ニュートン流体の流動を形成するために、追加の非ニュートン流体をチャンバに押し入れる。基板は、栓流となる流動の一部が基板の表面を移動して、表面からの粒子の除去を可能にするように、チャンバ内に配置される。
【０００８】
本発明の第三の態様によれば、基板を洗浄する方法が提供される。この方法では、供給ユニットの表面が提供され、供給ユニットの表面は、基板の表面上方に配置される。供給ユニットの表面と基板の表面との間に、非ニュートン流体の流動を供給する。流動の少なくとも一部は栓流となり、栓流となる流動の一部は、基板の表面を移動して、基板の表面からの粒子の除去を可能にする。
【０００９】
本発明の第四の態様によれば、基板を洗浄する装置が提供される。装置は、基板の表面上方に配置するように構成され、非ニュートン流体を受け入れるように構成された供給ユニットである。供給ユニットは、非ニュートン流体を表面に供給し、供給ユニットと表面との間に非ニュートン流体の流動を形成できる。流動は、栓流となる部分を有し、栓流は表面を移動して、表面からの粒子の除去を可能にする。
【００１０】
本発明の第五の態様によれば、基板を洗浄する装置が提供される。装置は、導管状の空洞を有するチャンバを含む。導管形状は、流動の一部が栓流となるように非ニュートン流体の流動を輸送できる。更に、チャンバは、栓流が基板の表面を移動して表面からの粒子の除去を可能にする形で、基板を収容するように構成される。
【００１１】
本発明の他の態様及び利点は、本発明の原理を例示する添付図面と併せて、以下の詳細な説明から、更に明白となるであろう。
【００１２】
本発明は、添付図面と併せて、以下の詳細な説明により容易に理解されるものであり、なお、同様の参照符号は、同様の構造要素を指示する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
基板を洗浄する方法及び装置についての発明を説明する。しかしながら、こうした具体的な詳細の一部又は全部がなくとも、本発明を実施し得ることは、当業者に明白である。別の例において、周知の処理工程については、本発明を不必要に曖昧にしないために説明しない。
【００１４】
本明細書で説明する実施形態は、基板を洗浄する方法及び装置を提供する。基本的には、栓流として流動する能力を有する非ニュートン流体を使用して基板を洗浄する。後に更に詳細に説明するように、非ニュートン流体の流動が提供され、流動の少なくとも一部は栓流となる。基板を洗浄するために、基板の表面は、栓流となる流動の一部と接触して配置される。一実施形態において、非ニュートン流体の流動は、栓流となる流動の一部が基板の表面を流動するように、基板の表面に供給される。別の実施形態において、基板は、栓流となる非ニュートン流体の流動内に浸漬させる。
【００１５】
図３は、本発明の一実施形態による、非ニュートン流体の剪断応力及び剪断歪みの図である。非ニュートン流体は、加えられた剪断力がゼロに近い時に流動しない流体である。特に、図３に示すように、非ニュートン流体において流動を発生させるのに必要な最小の力又は剪断応力である降伏点３０２（τyield）を有することを特徴とする。非ニュートン流体の例は、固体及び液体という両極端の中間部分を占める軟質凝縮物質である。軟質凝縮物質は、外的応力により容易に変形可能であり、軟質凝縮物質の例は、エマルジョン、コロイド、フォーム等を含む。エマルジョンは、例えば、練り歯磨き、マヨネーズ、油水といった、非混和液の混合物である。コロイドは、水中に分散したポリマであり、ゼラチンがコロイドの例となる。フォームは、液体マトリクスによって規定された気泡であり、シェービングクリームがフォームの例となる。
【００１６】
図４は、本発明の一実施形態による、チャンバ内の非ニュートン流体の栓流に関する流速プロフィールを示す図である。この実施形態において、チャンバは、パイプの形態であり、図４は、パイプの任意の区域における流速プロフィールを示している。パイプを流動する非ニュートン流体は、パイプの直径４０４に渡って非ニュートン流体に加わる剪断応力よりも大きな降伏点を有する。そのため、流動の全量が栓流となる。栓流は、流速が実質的に均一である平坦な流速プロフィールにより定義される。言い換えると、栓流により、非ニュートン流体材料の殆どは、実質的に同じ速度でパイプを通って移動し、栓流がパイプの直径４０４に渡って均一な速度を有するようになる。したがって、パイプの壁４０２と接触した非ニュートン流体の速度は、パイプの中央における非ニュートン流体の速度に近くなる。したがって、栓流は、壁４０２の周辺又はその近傍において、高速の非ニュートン流体を形成できる。
【００１７】
図５は、本発明の一実施形態における、チャンバ内の非ニュートン流体の栓流に関する別の流速プロフィールを示す図である。チャンバは、パイプの形態であり、図５は、パイプの任意の区域での流速プロフィールを示している。この実施形態において、パイプを貫流する非ニュートン流体に加わる剪断応力は、流動のいくつかの部分で非ニュートン流体の降伏点を上回る。剪断応力が降伏点を上回る流動部分は、非栓流となる（即ち、ニュートン流動）。非栓流は、栓流の部分から壁４０２の領域まで流体速度が低下する速度勾配を特徴とする。一方、降伏点が剪断応力より大きな流動部分は、栓流となる。図５に示したように、流速プロフィールは、異なる流動特性を有する非ニュートン流体の流動を示している。栓流は、パイプの全直径４０４に渡っては得られていない。具体的には、パイプの壁４０２に近い流動の部分５０２は、放物線の形状の流速プロフィールを有する速度勾配により特徴付けられる非栓流となる。対照的に、栓流は、平坦な形状の流速プロフィールを有しており、流速勾配間の部分５０４が栓流となる。図５は、栓流となる流動の部分５０４が速度勾配を示す流動の部分５０２よりも高い速度を有することを示している。したがって、図５の実施形態において、速度は、栓流となる流動の部分５０４において最高となる。
【００１８】
全ての非ニュートン流体が栓流となるとは限らない。非ニュートン流体が栓流として流動するか否かは、様々な要因（例えば、加わる剪断応力、非ニュートン流体の特性、その他）により決定される。例えば、素早く流出し崩壊するフォーム（非ニュートン流体）は、何ら有効な機械的強度を有していない。こうした素早く流出するフォームは、事実上、降伏点を有しておらず、栓流として流動しない可能性が非常に高い。対照的に、ゆっくりと流出し、完全性を無期限に維持できる、高い降伏点を備えた高品質のフォームは、栓流として流動する可能性が高い。非ニュートン流体の降伏点を高める様々な方法が存在する。例えば、フォームの降伏点を高めるためには、より小さな気泡を用いることができる。加えて、フォーム内の界面活性剤の量を増加させること、及び／又は、異なる界面活性剤の使用により、フォームの流出を限定し、これによりフォームの降伏点を高めることができる。付加的なポリマ又は他の結合材を追加し、フォームの降伏点を高め、フォームからの液体流出の速度を低減してもよい。
【００１９】
図６は、本発明の一実施形態による、基板を洗浄する方法の高レベルの概要を示すフローチャートである。基板は、任意の適切な基材である。例示的な一実施形態において、基板は、半導体ウェーハであり、即ち、様々な材料の拡散及び堆積により超小型回路がその上に構築される、シリコン結晶等の半導体材料の薄片である。別の例示的な実施形態において、基板は、磁気媒体コーティングを備えた円形の硬板から成るハードディスクプラッタである。ステップ６０２において開始され、非ニュートン流体の流動が提供され、流動の少なくとも一部は栓流となる。ステップ６０４において、基板の表面は、栓流が基板の表面を移動して基板から粒子を除去するように、栓流となる流動の一部と接触して配置される。基板の表面が栓流となる流動の一部と接触して配置されるのは、こうした流動の部分が最も高い速度を有するためである。実際には、基板の表面は、最も高い流速を有する流動部分に配置される。非ニュートン流体の流動における高い速度は、基板表面の粒子との高速での衝突と、衝突頻度の増加とに相関し、これにより基板表面での高い摩擦を形成する。高い速度と、結果的に生じる高い摩擦とは、基板表面からの高い粒子除去率に対応する。
【００２０】
図７は、本発明の一実施形態による、基板を洗浄する装置を模式的に示す斜視図である。図７に示すように、装置は、基板７０２の表面上方に配置されるように構成された供給ユニット７０４である。図７の実施形態において、供給ユニット７０４は、非ニュートン流体を生成するのではなく、非ニュートン流体を供給する任意の適切な数の入口導管を介して非ニュートン流体を受け入れる。供給ユニット７０４は、基板７０２の表面に非ニュートン流体を供給して、供給ユニットと基板の表面との間に非ニュートン流体の流動を形成する。一実施形態において、供給ユニット７０４は、基板７０２の表面に近接して配置されるように構成された近接ヘッドにすることができる。近接ヘッドは、必ずしも「ヘッド」の構造を備えている必要はなく、非ニュートン流体の供給を可能にする形で近接性を構成し得る限り、例えば、マニホルド、円形のパック、棒、楕円形のパック、チューブ、プレート等、任意の適切な構造、形状、及び／又はサイズであっても良い。一実施形態において、図７に例示する円形パックタイプの近接ヘッドが用いられる。近接ヘッドのサイズは、所望の用途に応じて任意の適切なサイズに変更してよい。近接ヘッドについての詳細は、２００２年９月３０日提出の米国特許出願第１０／２６１，８３９号「ウェーハ表面に極めて近接して保持された複数の入口及び出口を使用して半導体ウェーハ表面を乾燥させる方法及び装置」を参照し得る。
【００２１】
図８は、図７に示した供給ユニットの側断面図である。図８に示すように、供給ユニット７０４の表面は、基板７０２の表面上方に配置される。供給ユニット７０４は、上部入口導管を介して非ニュートン流体を受け入れ、更に供給ユニットは、非ニュートン流体の流動を、供給ユニットの表面と、基板７０２の表面との間に供給する。非ニュートン流体は、供給ユニット７０４の中央から供給ユニットの外縁部へ向かって放射状に流動し、したがって、流動の方向は、基板７０２の表面と実質的に平行になる。以下に更に詳細に説明するように、供給ユニット７０４の表面と基板７０２の表面との間の流動の部分は、栓流となり、栓流は基板の表面を移動して基板の表面から粒子を除去するようになる。流動の速度は、栓流に対応する任意の適切な速度にできる。例えば、一実施形態において、流速は、約０．１ｍｍ／ｓ乃至約１００ｍｍ／ｓの範囲となる。本明細書において、「約」という用語は、指定された大きさ又はパラメータが特定の用途での許容範囲内で変化してよいことを意味する。一実施形態において、許容範囲は、±１０％である。
【００２２】
図８に示すように、供給ユニット７０４は、基板７０２の一区画に非ニュートン流体を供給する。基板７０２の全表面を洗浄するために、供給ユニット７０４は、基板の全区画の処理を可能にする形で基板上を移動するように構成できる。例えば、供給ユニット７０４は、基板７０２の中央区画から基板の縁部へ、直線的に移動してよい。供給ユニット７０４が基板７０２の一つの縁部から別の正反対の縁部へ直線的に移動する他の実施形態を利用してもよい。例えば、ラジカル移動、円運動、螺旋運動、ジグザグ運動といった、他の非線形移動を利用してもよい。供給ユニットが基板の全区画を処理するように基板７０２が回転及び／又は平行移動する間に、供給ユニット７０４は、静止状態を維持することもできる。
【００２３】
図９は、本発明の一実施形態による、図７及び８に示した装置表面と基板表面との間の非ニュートン流体の流動に関する流速プロフィールを示す説明図である。供給ユニット７０４の表面と基板７０２の表面との間を流動する非ニュートン流体は、隙間７０６に渡って非ニュートン流体に加わる剪断応力より大きな降伏点を有する。したがって、流動の多くの量が栓流となる。言い換えると、栓流となる流動の一部は、実質的に、供給ユニット７０４の表面と基板７０２の表面との間に広がる。したがって、図９に示すように、流動の流速プロフィールは、実質的に均一となる。本明細書では、一実施形態において、「実質的」という用語は、栓流が表面間の約８０％から１００％に及ぶことを意味する。
【００２４】
栓流は、基板７０２の表面において、高い速度の非ニュートン流体を発生させることができる。基板７０２の表面に接触する非ニュートン流体の高速流動は、基板表面の粒子との高速での衝突と、衝突頻度の増加とに相関し、これにより基板表面からの粒子の除去を助ける。供給ユニット７０４の表面と基板７０２の表面との間の隙間７０６は、非ニュートン流体の流動に対応する任意の適切な高さにできる。例示的な一実施形態において、供給ユニット７０４の表面と基板７０２の表面との間の隙間７０６は、約５０ミクロンから約１０ミリメートルの範囲の高さを有する。
【００２５】
図１０は、本発明の一実施形態による、基板を洗浄する別の装置の簡略斜視図である。装置１０１０は、導管状の空洞を有するチャンバ１００４を含む。以下で更に詳細に説明するように、導管は、流動の一部が栓流となるように非ニュートン流体の流動を輸送するように構成される。チャンバ１００４は、加えて、栓流が基板の表面（上面及び底面）を移動して、基板表面からの粒子の除去を可能にするように、基板を収容するように構成される。図１０は、導管が長方形の形状を有することを示している。しかしながら、空洞は、基板を収容するために寸法を決定した任意の適切な形状により定めてよいと理解されたい。例えば、別の実施形態において、空洞は、円筒形状を有する。
【００２６】
図１１Ａから１１Ｃは、本発明の一実施形態による、基板を洗浄する図１０に示した装置の様々な詳細図を示している。図１１Ａは、装置１０１０の上面図、図１１Ｂは、側面図、図１１Ｃは、拡大側面図を示している。装置１０１０は、チャンバと、導入口１１３２と、保持ピン１１１２と、パネル１１３０とを含む。チャンバは、長方形の導管状の空洞を有する。チャンバは、導入端部１１１６と、導入端部の反対側に位置する排出端部１１１７とを有する。導入端部１１１６は、基板７０２を受け入れ可能な第一の開口部により定められる。排出端部１１１７は、基板７０２を排出可能な第二の開口部により定められる。加えて、第一の開口部を密封するために使用可能なパネル１１３０が、導入端部１１１６の第一の開口部に近接して含まれる。
【００２７】
装置１０１０は、更に、チャンバの壁内に導入口１１３２を含む。導入口１１３２は、非ニュートン流体をチャンバへ注入するように構成される。図１１Ｂの上面図に示したように、一実施形態において、導入口１１３２は、チャンバの幅に沿って伸びる。しかしながら、導入口１１３２は、任意の適切な形状及びサイズにできると理解されたい。非ニュートン流体アプリケータ（図示なし）は、導入口１１３２に結合し、導入口を介して非ニュートン流体をチャンバへ注入することが可能である。図１１Ａから１１Ｃの実施形態において、装置１０１０は、導入端部１１１６に近接して位置する二個の導入口１１３２を含む。側面図では、導入口１１３２の一方がチャンバの上部に位置し、他方の導入口が底部に位置することを示している。導入口１１３２は、上部及び底部から非ニュートン流体の対向する流動を形成するために、互いに対向して配置される。対向する流動は、基板の反対の表面に力を及ぼすことで、チャンバの中央で基板７０２を浮遊した状態に維持するのを助ける。しかしながら、所望の流動方向に応じて、装置１０１０は、一個の導入口又は三個以上の導入口を含むことができる。更に、所望の流動方向が導入端部から排出端部１１１７であることから、導入口１１３２は、導入端部１１１６に近接して配置される。ただし、導入口１１３２は、様々な流動特性を形成するために、チャンバ内の任意の適切な位置に配置してもよい。
【００２８】
更に図１１Ａから１１Ｃを参照すると、基板７０２を装置１０１０のチャンバに配置する前に、非ニュートン流体アプリケータは、導入口１１３２を介してチャンバに非ニュートン流体を押し入れ、チャンバに非ニュートン流体を充填する。チャンバに非ニュートン流体を充填した後、導入端部１１１６の第一の開口部を介して、基板７０２をチャンバ内に配置する。基板７０２は、非ニュートン流体中に基板が浮遊するように配置される。すなわち、基板７０２は、非ニュートン流体中に浸漬した状態で、チャンバの壁には接触しない。非ニュートン流体は、基板がチャンバの中央に浮遊するように基板７０２を支持する能力を有する。非ニュートン流体は、流動が無くとも、ほぼ無期限に基板７０２を支持可能であり、これは、基板の重量が十分に小さく、非ニュートン流体に載った基板が非ニュートン流体の降伏点を上回らないためである。
【００２９】
基板７０２をチャンバ内に配置した後、導入端部１１１６の第一の開口部に近接するパネル１１３０を閉じて、第一の開口部を密封する。非ニュートン流体アプリケータにより、チャンバに非ニュートン流体を押し入れ、非ニュートン流体の流動を形成する。非ニュートン流体は導入端部１１１６の第一の開口部を介して退出できないため、導入口１１３２から押し込まれた非ニュートン流体は、導入端部から排出端部１１１７へ向けて流動し、排出端部の第二の開口部において退出する。流動の方向は、基板７０２の表面に対して実質的に平行となる。下で更に詳細に説明するように、流動の一部は栓流となり、基板は、栓流が基板７０２の表面を移動して表面から粒子を除去するように、チャンバ内に配置される。
【００３０】
流動が基板７０２の表面を移動できるように、基板は、チャンバ内で保持される。装置１０１０の実施形態は、チャンバ内に一本以上の保持ピン１１１２を含むことができる。保持ピン１１１２は、基板７０２の縁部を受領して、基板の水平移動を防止するために使用される。図１１Ａ及び１１Ｂの実施形態において、保持ピン１１１２は、排出端部１１１７に近接して配置され、非ニュートン流体がチャンバを通って流動する時に、基板７０２が排出端部の第二の開口部を介して移動するのを防止する。保持ピン１１１２は、導管を介した非ニュートン流体の流動を可能にしながら、基板７０２を保持できる。基板１１１２を水平移動させるために、保持ピン１１１２は、基板の保持を解除して、非ニュートン流体の流動により、基板を導管に沿って排出端部１１１７の第二の開口部の外へ移動できるように構成してよい。例えば、一実施形態では、保持ピン１１１２を降下させて、基板７０２を移動させることができる。
【００３１】
図１２Ａ及び１２Ｂは、本発明の実施形態による、図１０及び１１Ａから１１Ｃのチャンバを通る非ニュートン流体の異なる流動についての異なる流速プロフィールである。チャンバを貫流する図１２Ａの非ニュートン流体は、チャンバの高さ１２０４に渡って非ニュートン流体に加わる剪断応力より大きな降伏点を有する。したがって、一実施形態において、流動の実質的な量が栓流となる。言い換えると、栓流は、流動のほぼ全量に及ぶ。したがって、図１２Ａに示したように、流動の流速プロフィールは、実質的に均一となる。
【００３２】
図１２Ｂは、本発明の別の実施形態による、チャンバを通る非ニュートン流体の流動についての別の流速プロフィールである。ここでは、チャンバを貫流する非ニュートン流体に加わる剪断応力は、流動のいくつかの部分で非ニュートン流体の降伏点を上回る。上述のように、剪断応力が降伏点を上回る流動部分は、非栓流となる。降伏点が剪断応力より大きな流動部分は、栓流となる。図１２Ｂに示したように、流速プロフィールは、異なる流動特性を有する非ニュートン流体の流動を示している。栓流は、チャンバの高さ１２０４全体では得られない。具体的には、チャンバの壁近くの流動の部分は、放物線の形状の速度勾配を有する非栓流となる。栓流は、平坦な形状の流速プロフィールを有しており、流速勾配間の部分１２０６が栓流となる。
【００３３】
栓流に関連する粒子除去の増加の利点を活用するために、基板７０２は、栓流となる流動部分が基板の表面を移動するように、チャンバ内に配置される。図１２Ａに示した実施形態では、実質的にチャンバの高さ１２０４全体に渡って栓流が得られるため、基板７０２は、チャンバ内の任意の場所に配置できる。図１２Ｂに示した実施形態では、基板７０２は、栓流となる部分１２０６内に配置される。チャンバの壁と基板７０２の表面との間の隙間１２０２は、非ニュートン流体の流動に対応する任意の適切な高さにできる。例示的な一実施形態において、隙間１２０２は、約５０ミクロンから約１０ミリメートルの範囲の高さを有する。
【００３４】
非ニュートン流体中の化学物質及び／又は気体は、基板７０２の表面からの粒子の除去を更に支援できる。具体的には、化学物質及び／又は気体は、粒子及び／又は基板７０２表面との化学反応のために、或いは化学反応を促進するために、非ニュートン流体に含めることができる。任意の適切な化学物質及び／又は気体を非ニュートン流体に含め、基板の洗浄を促進できる。例えば、オゾン気泡と脱イオン水を含むフォームを基板に供給できる。脱イオン水と組み合わせたオゾンは、半導体フォトリソグラフィ工程において一般的に使用される有機フォトレジスト材料と化学的に反応し、基板７０２の表面からフォトレジスト材料を除去する。
【００３５】
更に、上述の実施形態は、洗浄に加え、物質移動に依存する他の適切な半導体デバイス製造プロセスに応用できる。例えば、非ニュートン流体の栓流は、表面に金属をコーティングする表面被覆手法であるメッキに使用できる。栓流となる非ニュートン流体の流動をメッキすべき表面に供給することで、表面又はその近くにおいて高い速度が発生する。高い速度は、表面に対する金属の高い物質移動と同じであり、これにより、表面を被覆するために使用される流体の量が低減される。別の例において、上述の実施形態は、ウェットエッチングに応用可能であり、この場合、栓流となる非ニュートン流体の流動を基板の表面に供給して、エッチングされる金属を除去する。
【００３６】
簡単に言えば、上述の実施形態は、基板を洗浄する方法及び装置を提供する。基板の表面を洗浄するために、基板は、栓流となる非ニュートン流体の流動に接触させて配置する。同じ質量に移動において、栓流は、基板を洗浄するために水等のニュートン流体を使用するのと比較する時、基板の表面又はその近くにおいて、より高い流速を有する。基板の表面で栓流により形成される摩擦は、ニュートン流体により形成されるごく僅かな摩擦より数桁大きい。結果として、栓流となる非ニュートン流体の基板洗浄での使用は、ニュートン流体の使用と比較して少ない非ニュートン流体を使用して同じ洗浄効果を達成できるため、ニュートン流体の使用に比べ効率的である
【００３７】
本発明のいくつかの実施形態について詳細に説明したが、本発明の趣旨又は範囲から離れることなく、他の多くの具体的な形態で本発明を実施し得ることは、当業者に理解されよう。したがって、本例及び実施形態は、制限的ではなく例示的であるとみなされるべきであり、本発明は、本明細書に記載の詳細に限定されるべきではなく、付記した請求項の範囲内で変形及び実施してよい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】水の剪断応力及び剪断歪みを示す図である。
【図２】半導体ウェーハの表面上での水の流動に関する流速プロフィールを示す図である。
【図３】本発明の一実施形態による、非ニュートン流体の剪断応力及び剪断歪みを示す図である。
【図４】本発明の一実施形態による、チャンバ内の非ニュートン流体の栓流に関する流速プロフィールを示す図である。
【図５】本発明の一実施形態による、チャンバ内の非ニュートン流体の栓流に関する別の流速プロフィールを示す図である。
【図６】本発明の一実施形態による、基板を洗浄する方法の高レベルの概要を示すフローチャートである。
【図７】本発明の一実施形態による、基板を洗浄する装置の簡略斜視図である。
【図８】図７に示した供給ユニットの側断面図である。
【図９】本発明の一実施形態による、図７及び８に示した装置表面と基板表面との間の非ニュートン流体の流動に関する流速プロフィールを示す図である。
【図１０】本発明の一実施形態による、基板を洗浄する別の装置の簡略斜視図である。
【図１１Ａ】本発明の一実施形態による、基板を洗浄する図１０に示した装置の様々な詳細図である。
【図１１Ｂ】本発明の一実施形態による、基板を洗浄する図１０に示した装置の様々な詳細図である。
【図１１Ｃ】本発明の一実施形態による、基板を洗浄する図１０に示した装置の様々な詳細図である。
【図１２Ａ】本発明の実施形態による、図１０及び１１のチャンバを通る非ニュートン流体の異なる流動に関する異なる流速プロフィールを示す図である。
【図１２Ｂ】本発明の実施形態による、図１０及び１１のチャンバを通る非ニュートン流体の異なる流動に関する異なる流速プロフィールを示す図である。
【図１】
2006352130.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【外国語明細書】
1. TITLE OF THE INVENTION
Method and Apparatus for Cleaning a Substrate Using Non-Newtonian Fluids
2. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Background
[0001]Throughout a semiconductor device manufacturing process, a semiconductor wafer is cleaned to remove particles, such as contamination from a depositions system, from the surface of the semiconductor wafer.  If the particles are not removed, the particles will contaminate the semiconductor wafer resulting in damage to the electronic devices on the semiconductor wafer.  As such, cleaning operations define a very critical step that is repeated many times throughout the manufacturing process.
[0002]One method to clean the semiconductor wafer is to rinse the surface of the semiconductor wafer with deionized water.  However, cleaning the semiconductor water with water is terribly inefficient because the process uses an immense amount of water to remove only a very minute amount of contaminant.  Specifically, the inefficiency is caused by the Newtonian properties of water.   Figure 1 is a shear stress and strain diagram of water.  The shear stress and strain diagram is a plot of a shear strain rate versus shear stress.  As shown in Figure 1, the shear strain rate and shear stress of water plot as a straight line on the diagram.  Thus, water (and all Newtonian fluids) is characterized by having a shear stress that is linearly proportional to the shear strain rate.  The plot goes through origin 101 of the diagram.  Accordingly, any finite shear stress applied on the water can initiate flow.  In other words, water has minimal or no yield point, which is the minimum force required to initiate flow in water.
[0003]Figure 2 is a velocity flow profile for a flow of water on a surface of semiconductor wafer 202.  As shown in Figure 2, since water has virtually no yield point, the velocity of the water in contact with the surface of semiconductor wafer 202 is essentially zero and the velocity increases the further away from the semiconductor wafer.  Accordingly, water is essentially stagnant at the point of contact with surface of semiconductor wafer 202.  Since the water just above the surface of semiconductor wafer 202 is not moving, there is no mechanism for the flow of water to carry away particles at the surface of the semiconductor water.  Accordingly, a large amount of water flow is needed to create any significant velocity at the surface of semiconductor wafer 202 to enable removal of particles from the surface.
[0004]In view of the foregoing, there is a need to provide methods and apparatuses that use fluids more efficiently to clean semiconductor wafers.
Summary
[0005]Broadly speaking, the present invention fills these needs by providing methods and apparatuses for cleaning a substrate.  It should be appreciated that the present invention can be implemented in numerous ways, including as a method, a system, or a device.  Several inventive embodiments of the present invention are described below.
[0006]In accordance with a first aspect of the present invention, a method for cleaning a substrate is provided.  In this method, a flow of a non-Newtonian fluid is provided where at least a portion of the flow exhibits plug flow.  To remove particles from a surface of the substrate, the surface of the substrate is placed in contact with the portion of the flow that exhibits plug flow such that the portion of the flow exhibiting plug flow moves over the surface of the substrate.
[0007]In accordance with a second aspect of the present invention, a method for cleaning a substrate is provided.  In this method, a chamber is filled with a non-Newtonian fluid and the substrate is placed into the chamber.  Thereafter, additional non-Newtonian fluids are forced into the chamber to create a flow of the non-Newtonian fluid where at least a portion of the flow exhibits plug flow.  The substrate is placed within the chamber such that the portion of the flow exhibiting plug flow moves over a surface of the substrate to enable removal of particles from the surface.
[0008]In accordance with a third aspect of the present invention, a method for cleaning a substrate is provided.  In this method, a surface of an application unit is provided and the application unit is disposed above a surface of the substrate.  A flow of a non-Newtonian fluid is applied between the surface of the application unit and the surface of the substrate.  At least a portion of the flow exhibits plug flow such that the portion of the flow exhibiting plug flow moves over the surface of the substrate to enable removal of particles from the surface of the substrate.
[0009]In accordance with a fourth aspect of the present invention, an apparatus for cleaning a substrate is provided.  The apparatus is an application unit configured to be disposed above a surface of the substrate and configured to receive a non-Newtonian fluid.  The application unit is capable of applying the non-Newtonian fluid to the surface to create a flow of the non-Newtonian fluid between the application unit and the surface.  The flow has a portion that exhibits plug flow such that the plug flow moves over the surface to enable removal of particles from the surface.
[0010]In accordance with a fifth aspect of the present invention, an apparatus for cleaning a substrate is provided.  The apparatus includes a chamber that has a cavity in a form of a conduit.  The conduit is capable of conveying a flow of a non-Newtonian fluid such that a portion of the flow exhibits plug flow.  Further, the chamber is configured to contain the substrate such that the plug flow moves over a surface of the substrate to enable removal of particles from the surface.
[0011]Other aspects and advantages of the invention will become apparent from the following detailed description, taken in conjunction with the accompanying drawings, illustrating by way of example the principles of the invention.
[0012]The present invention will be readily understood by the following detailed description in conjunction with the accompanying drawings, and like reference numerals designate like structural elements.
Detailed Description
[0013]An invention is described for methods and apparatuses for cleaning a substrate.  It will be obvious, however, to one skilled in the art, that the present invention may be practiced without some or all of these specific details.  In other instances, well known process operations have not been described in detail in order not to unnecessarily obscure the present invention.
[0014]The embodiments described herein provide methods and apparatuses for cleaning a substrate.  Essentially, non-Newtonian fluids that have the capability to flow as plug flow are used to clean the substrate.  As will be explained in more detail below, a flow of non-Newtonian fluid is provided and at least a portion of the flow exhibits plug flow.  To clean the substrate, a surface of the substrate is placed in contact with the portion of the flow that exhibits plug flow.  In one embodiment, the flow of non-Newtonian fluid is applied to the surface of the substrate such that the portion of the flow exhibiting plug flow flows over the surface of the substrate.  In another embodiment, the substrate is immersed in the flow of non-Newtonian fluid that exhibits plug flow.
[0015]Figure 3 is a shear stress and strain diagram of a non-Newtonian fluid, in accordance with one embodiment of the present invention.  A non-Newtonian fluid is a fluid that does not flow when an applied shear force approaches zero.  In particular, as shown in Figure 3, the non-Newtonian fluid is characterized by having a yield point 302 (τyield), which is the minimum force, or shear stress, required to initiate flow in the non-Newtonian fluid.  An example of a non-Newtonian fluid is a soft condensed matter which occupies a middle ground between the extremes of a solid and a liquid.  The soft condensed matter is easily deformable by external stress and examples of the soft condensed matter include emulsions, colloids, foam, etc.  It should be appreciated that an emulsion is a mixture of immiscible liquids such as, for example, toothpaste, mayonnaise, oil in water, etc.  A colloid is polymers dispersed in water, and gelatin is an example of a colloid.  Foam is gas bubbles defined in a liquid matrix, and shaving cream is an example of foam.
[0016]Figure 4 is a velocity flow profile for a plug flow of a non-Newtonian fluid within a chamber, in accordance with one embodiment of the present invention.  In this embodiment, the chamber is in the form of a pipe and Figure 4 shows the velocity flow profile of any section of the pipe.  The non-Newtonian fluid flowing through the pipe has a yield point that is greater than the shear stress applied to the non-Newtonian fluid across diameter 404 of the pipe.  As such, the entire amount of flow exhibits plug flow.  Plug flow is defined by a flat velocity flow profile where the flow velocities are substantially uniform.  In other words, with a plug flow, most of the non-Newtonian fluid material travels through the pipe at substantially the same velocity such that the plug flow has a uniform velocity across diameter 404 of the pipe.  Thus, velocities of the non-Newtonian fluid in contact with walls 402 of the pipe approach the velocity of the non-Newtonian fluid at the middle of the pipe.  A plug flow therefore can result in a high velocity of the non-Newtonian fluid at or near the vicinities of walls 402.
[0017]Figure 5 is another velocity flow profile for a plug flow of a non-Newtonian fluid within the chamber, in accordance with one embodiment of the present invention.  The chamber is in the form of a pipe and Figure 5 shows the velocity flow profile of any section of the pipe.  In this embodiment, the shear stress applied to the non-Newtonian fluid flowing through the pipe exceeds the yield point of the non-Newtonian fluid at some portions of the flow.  The portions of the flow where the shear stress exceeds the yield point exhibit non-plug flows (i.e., Newtonian flows).  A non-plug flow is characterized by a velocity gradient where the fluid velocity decreases from the portion of plug flow to the region of walls 402.  On the other hand, the portions of the flow where the yield point is greater than the shear stress exhibit a plug flow.  As shown in Figure 5, the velocity flow profile shows the flow of non-Newtonian fluid having different flow characteristics.  Plug flow is not obtained across the entire diameter 404 of the pipe.  Specifically, portions 502 of the flow near walls 402 of the pipe exhibit non-plug flows, which are characterized by velocity gradients that have parabolic shaped velocity flow profiles.  In contrast, plug flow has a flat shaped velocity flow profile and is exhibited at portion 504 between the velocity flow gradients.  Figure 5 shows that portion 504 of the flow that exhibits plug flow has higher velocities than portions 502 of the flow that exhibit velocity gradients.  Accordingly, in the embodiment of Figure 5, the velocity is highest at portion 504 of the flow that exhibits plug flow.
[0018]It should be appreciated that not all non-Newtonian fluids exhibit plug flow.  A variety of factors (e.g., applied shear stress, properties of the non-Newtonian fluid, etc.) determine whether a non-Newtonian fluid flows as plug flow.  For example, foam (a non-Newtonian fluid) that drains and collapses quickly does not have any significant mechanical strength.  Such quick draining foam has virtually no yield point and would most likely not flow as plug flow.  In contrast, a high quality foam with a high yield point that drains slowly and can maintain its integrity indefinitely would likely flow as plug flow.  There are a variety of methods to increase the yield point of a non-Newtonian fluid.  For instance, to increase the yield point of foam, smaller bubbles may be used.  Additionally, increasing the amount of surfactants in foam and/or the use of different surfactants can limit foam draining, thereby increasing the yield point of foam.  Additional polymers or other binding materials may be added to increase the yield point of the foam and reduce the rate of liquid draining from the foam.
[0019]Figure 6 is a flowchart diagram of a high level overview of a method for cleaning a substrate, in accordance with one embodiment of the present invention.  A substrate is any suitable base material.  In one exemplary embodiment, the substrate is a semiconductor wafer, which is a thin slice of semiconductor material, such as a silicon crystal, upon which microcircuits are constructed by diffusion and deposition of various materials.  In another exemplary embodiment, the substrate is a hard disk platter, which is composed of a round, rigid plate with a magnetic media coating.  Starting in operation 602, a flow of non-Newtonian fluid is provided and at least a portion of the flow exhibits plug flow.  In operation 604, a surface of the substrate is placed in contact with the portion of the flow that exhibits plug flow such that the plug flow moves over the surface of the substrate to remove particles from the substrate.  The surface of the substrate is placed in contact with the portion of the flow that exhibits plug flow because such portion of the flow has the highest velocity.  In effect, the surface of the substrate is placed at a portion of the flow that has the fastest rate of flow.  The high velocity of the flow of the non-Newtonian fluid correlates to faster collisions and increased collision frequency with particles on the surface of substrate, thereby creating high friction at the surface of the substrate.  The high velocity and resulting high friction correspond to a high rate of particle removal from the surface of the substrate.
[0020]Figure 7 is a simplified perspective view of an apparatus for cleaning a substrate, in accordance with one embodiment of the present invention.  As shown in Figure 7, apparatus is an application unit 704 configured to be disposed above a surface of substrate 702.  In the embodiment of Figure 7, application unit 704 does not generate the non-Newtonian fluid but receives the non-Newtonian fluid through any suitable number of inlet conduits that supply the non-Newtonian fluid.  Application unit 704 applies the non-Newtonian fluid to surface of substrate 702 to create a flow of the non-Newtonian fluid between the application unit and the surface of the substrate.  In one embodiment, application unit 704 can be a proximity head configured to be placed proximate to the surface of substrate 702.  The proximity head may not necessarily be a "head" in configuration but may be any suitable configuration, shape and/or size such as, for example, a manifold, a circular puck, a bar, a square, an oval puck, a tube, plate, etc., as long as the proximity may be configured in a manner that would enable the application of non-Newtonian fluid.  In one embodiment, the proximity head may be a type of circular puck as illustrated in Figure 7.  The size of the proximity head may be varied to any suitable size depending on the application desired.  For more information on proximity heads, reference can be made to U.S. Patent Application No. 10/261,839, entitled "Method and Apparatus for Drying Semiconductor Wafer Surfaces Using a Plurality of Inlets and Outlets Held in Close Proximity to the Wafer Surfaces," filed on September 30, 2002.
[0021]Figure 8 is a sectional, side view of the application unit shown in Figure 7.  As shown in Figure 8, a surface of application unit 704 is disposed above surface of substrate 702.  Application unit 704 receives the non-Newtonian fluid through a top inlet conduit, and the application unit applies a flow of the non-Newtonian fluid between the surface of the application unit and the surface of substrate 702.  The non-Newtonian fluid flows radially outward from a center of application unit 704 to an outer edge of the application unit and, accordingly, the direction of the flow is substantially parallel to the surface of substrate 702.  As will be explained in more detail below, a portion of the flow between the surface of application unit 704 and the surface of substrate 702 exhibits plug flow such that the plug flow moves over the surface of the substrate to remove particles from the surface of the substrate.  The rate of flow can be any suitable rate to accommodate a plug flow.  For example, in one embodiment, the flow rate has a range from about 0.1 mm/s to about 100 mm/s.  As used herein, the term "about" means that that the specified dimension or parameter may be varied within an acceptable tolerance for a given application.  In one embodiment, the acceptable tolerance is  10%.
[0022]As shown in Figure 8, application unit 704 applies the non-Newtonian fluid to a section of substrate 702.  To clean the entire surface of substrate 702, application unit 704 can be configured to move over the substrate in a fashion that enables processing of all sections of the substrate.  For example, application unit 704 may move in a linear fashion from a center section of substrate 702 to an edge of the substrate.  Other embodiments may be utilized where application unit 704 moves in a linear fashion from one edge of substrate 702 to another diametrically opposite edge of the substrate.  Other non-linear movements may be utilized such as, for example, in a radical motion, in a circular motion, in a spiral motion, in a zig-zag motion, etc.  Application unit 704 can also remain stationary while substrate 702 rotates and/or translates such that the application unit processes all sections of the substrate.
[0023]Figure 9 is a velocity flow profile for a flow of a non-Newtonian fluid between the surface of apparatus and the surface of substrate shown in Figures 7 and 8, in accordance with one embodiment of the present invention.  The non-Newtonian fluid flowing between the surface of application unit 704 and the surface of substrate 702 has a yield point greater than the shear stress applied to the non-Newtonian fluid across gap 706.  Accordingly, a substantial amount of the flow exhibits plug flow.  In other words, the portion of the flow that exhibits plug flow extends substantially between the surface of application unit 704 and the surface of substrate 702.  Therefore, as shown in Figure 9, the flow velocity flow profile is substantially uniform.  As used herein, in one embodiment, the term "substantially" means that the plug flow extends from about 80% to 100% between the surfaces.
[0024]A plug flow can result in a high velocity of the non-Newtonian fluid at the surface of substrate 702.  The high velocity flow of the non-Newtonian fluid in contact with the surface of substrate 702 correlates to faster collisions and increased collision frequency with particles on the surface of the substrate, thereby assisting the removal of particles from the surface of the substrate.  It should be appreciated that gap 706 between surface of application unit 704 and surface of substrate 702 can have any suitable height to accommodate the flow of non-Newtonian fluid.  In one exemplary embodiment, gap 706 between the surface of application unit 704 and the surface of substrate 702 has a height in a range from about 50 microns to about 10 millimeters.
[0025]Figure 10 is a simplified perspective view of another apparatus for cleaning a substrate, in accordance with one embodiment of the present invention.  Apparatus 1010 includes chamber 1004 that has a cavity in a form of a conduit.  As will be explained in more detail below, the conduit is configured to convey a flow of a non-Newtonian fluid such that a portion of the flow exhibits plug flow.  Chamber 1004 is additionally configured to contain a substrate such that the plug flow moves over surfaces (top and bottom surfaces) of the substrate to enable removal of the particles from the surfaces of the substrate.  Figure 10 shows that the cavity has a rectangular shape.  However, it should be appreciated that the cavity may be defined by any suitable shape dimensioned to accommodate the substrate.  For example, in another embodiment, the cavity can have a cylindrical shape.
[0026]Figures 11 A-C show various, more detailed views of the apparatus shown in Figure 10 for cleaning a substrate, in accordance with one embodiment of the present invention.  Figure 11A illustrates a top view, Figure 11B illustrates a side view, and Figure 11C illustrates an expanded side view of apparatus 1010.  Apparatus 1010 includes a chamber, input ports 1132, holding pins 1112, and panel 1130.  The chamber has a cavity in a form of a rectangular conduit.  The chamber has input end 1116 and output end 1117 that is located opposite to the input end.  Input end 1116 is defined by a first opening that is capable of receiving substrate 702.  Output end 1117 is defined by a second opening that is capable of outputting substrate 702.  Additionally included is panel 1130 proximate to the first opening at input end 1116 that can be used to seal off the first opening.
[0027]Apparatus 1010 also includes input ports 1132 in the walls of the chamber.  Input ports 1132 are configured to port the non-Newtonian fluid into the chamber.  As shown in the top view of Figure 11A, in one embodiment, input ports 1132 extend along a width of the chamber.  However, it should be appreciated that input ports 1132 can have any suitable shapes and sizes.  A non-Newtonian applicator (not shown) can be coupled to input ports 1132 to port non-Newtonian fluid into the chamber through the input ports.  In the embodiment of Figures 11 A-C, apparatus 1010 includes two input ports 1132 located proximately to input end 1116.  The side view shows that one of the input ports 1132 is located at the top of the chamber and the other input port is located at the bottom of the chamber.  Input ports 1132 are placed opposite to each other in order to create opposing flows of the non-Newtonian fluid from the top and bottom.  The opposing flows assist in keeping substrate 702 suspended in the middle of the chamber by exerting forces on opposite surfaces of the substrate.  However, depending on the desired direction of flow, apparatus 1010 can include one input port or more than two input ports.  Further, input ports 1132 are located proximate to input end 1116 because the desired direction of flow is from the input end to output end 1117.  Nonetheless, it should be appreciated that input ports 1132 may be placed in any suitable location within the chamber to create different flow characteristics.
[0028]Still referring to Figures 11 A-C, before substrate 702 is placed into the chamber of apparatus 1010, a non-Newtonian fluid applicator forces non-Newtonian fluid into the chamber through input ports 1132 to fill the chamber with the non-Newtonian fluid.  After the chamber is filled with the non-Newtonian fluid, substrate 702 is placed in the chamber though the first opening at input end 1116.  Substrate 702 is placed such that the substrate is suspended in the non-Newtonian fluid.  In other words, substrate 702 is immersed in the non-Newtonian fluid and is not in contact with a wall of the chamber.  The non-Newtonian fluid has the capability to support substrate 702 such that the substrate is suspended in the middle of the chamber.  The non-Newtonian fluid can support substrate 702 almost indefinitely, even without flow, because the weight of the substrate is sufficiently small such that the substrate resting on the non-Newtonian fluid does not exceed the yield point of the non-Newtonian fluid.
[0029]After substrate 702 is placed into the chamber, panel 1130, which is proximate to the first opening at input end 1116, closes to seal off the first opening.  The non-Newtonian fluid applicator then forces additional non-Newtonian fluids into the chamber to create a flow of the non-Newtonian fluid.  Since the non-Newtonian fluid cannot exit through the first opening at input end 1116, the non-Newtonian fluid forced through input ports 1132 flows from the input end towards output end 1117 to exit at the second opening at the output end.  The direction of the flow is substantially parallel to surfaces of substrate 702.  As will be explained in more detail below, a portion of the flow exhibits plug flow, and the substrate is placed within the chamber such that the plug flow moves over surfaces of substrate 702 to remove particles from the surfaces.
[0030]To enable the flow to move over surfaces of substrate 702, the substrate is held within the chamber.  Embodiments of apparatus 1010 can include one or more holding pins 1112 within the chamber.  Holding pins 1112 are used to receive an edge of substrate 702 to prevent horizontal movement of the substrate.  In the embodiment of Figures 11 A and B, holding pins 1112 are located proximate to output end 1117 to prevent substrate 702 from moving through the second opening at the output end when the non-Newtonian fluid flows though the chamber.  Holding pins 1112 can hold substrate 702 while enabling the non-Newtonian fluid to flow through the conduit.  To allow horizontal movement of substrate 1112, holding pins 1112 may be configured to release a hold of the substrate to allow the flow of the non-Newtonian fluid to move the substrate along the conduit and out of the second opening at output end 1117.  For example, in one embodiment, holding pins 1112 can be lowered to allow movement of substrate 702.
[0031]Figures 12A and 12B are different velocity flow profiles for different flows of the non-Newtonian fluid through the chamber of Figures 10 and 11 A-C, in accordance with embodiments of the present invention.  The non-Newtonian fluid of Figure 12A flowing through chamber has a yield point greater than the shear stress applied to the non-Newtonian fluid across height 1204 of the chamber.  Accordingly, in one embodiment, a substantial amount of the flow exhibits plug flow.  In other words, the plug flow extends to about an entire amount of the flow.  Therefore, as shown in Figure 12A, the flow velocity flow profile is substantially uniform.
[0032]Figure 12B is another velocity flow profile for a flow of non-Newtonian fluid through the chamber, in accordance with another embodiment of the present invention.  Here, the shear stress applied to the non-Newtonian fluid flowing through the chamber exceeds the yield point of the non-Newtonian fluid at some portions of the flow.  As discussed above, the portions of the flow where the shear stress exceeds the yield point exhibit non-plug flows.  The portions of the flow where the yield point is greater than the shear stress exhibit plug flow.  As shown in Figure 12B, the velocity flow profile shows the flow of non-Newtonian fluid having different flow characteristics.  Plug flow is not obtained across the entire height 1204 of the chamber.  Specifically, portions of the flow near walls of the chamber exhibit non-plug flows, which have parabolic shaped velocity gradients.  Plug flow has a flat shaped velocity flow profile and is exhibited at portion 1206 between the velocity gradients.
[0033]To exploit the benefits of increased particle removal associated with plug flow, substrate 702 is placed within the chamber such that the portion of the flow exhibiting plug flow moves over a surface of the substrate.  With the embodiment shown in Figure 12A, since plug flow is obtained substantially across the entire height 1204 of the chamber, substrate 702 can be placed anywhere within the chamber.  With the embodiment shown in Figure 12B, substrate 702 is placed within portion 1206 that exhibits plug flow.  It should be appreciated that gaps 1202 between the walls of chamber and the surfaces of substrate 702 can have any suitable height to accommodate the flow of non-Newtonian fluid.  In one exemplary embodiment, gap 1202 has a height in a range from about 50 microns to about 10 millimeters.
[0034]It should be appreciated that chemicals and/or gases in the non-Newtonian fluid can further assist in the removal of particles from surfaces of substrate 702.  Specifically, chemicals and/or gases can be included in the non-Newtonian fluid to chemically react or to facilitate chemical reactions with the particles and/or surfaces of substrate 702.  Any suitable chemicals and/or gases can be included in the non-Newtonian fluid to facilitate substrate cleaning.  For example, foam that is comprised of ozone bubbles and deionized water can be applied to a substrate.  The ozone in combination with the deionized water chemically reacts with an organic photoresist material, which is commonly used in semiconductor photolithography operations, to remove the photoresist material from surface of substrate 702.
[0035]Furthermore, it should be appreciated that in addition to cleaning, the embodiments described above can be applied to other suitable semiconductor device manufacturing processes that depend on mass transfers.  For example, a plug flow of non-Newtonian fluid can be used for plating, which is a surface-covering technique in which a metal is coated onto a surface.  The application of a flow of non-Newtonian fluid exhibiting plug flow onto a surface to be plated results in high velocity at or near the surface.  The high velocity equates to a high mass transfer of metal onto the surface, thereby reducing the amount of fluid used to coat the surface.  In another example, the embodiments described above can be applied to wet etching, where a flow of the non-Newtonian fluid (e.g., a chemical etchant) exhibiting plug flow is applied onto a surface of a substrate to remove a material being etched.
[0036]In summary, the above-described embodiments provide methods and apparatuses for cleaning a substrate.  To clean a surface of the substrate, the substrate is placed in contact with a flow of non-Newtonian fluid that exhibits plug flow.  For the same transfer of mass, plug flow has a higher flow velocity at or near the surface of the substrate when compared to the use of a Newtonian fluid, such as water, to clean a substrate.  The friction created by the plug flow at the surface of the substrate is by orders of magnitude higher than the negligible friction created by the Newtonian fluid.  As a result, the use of a non-Newtonian fluid exhibiting plug flow to clean substrates is more efficient than the use of a Newtonian fluid because less non-Newtonian fluid is used to achieve the same cleaning effect when compared to the use of the Newtonian fluid.
[0037]Although a few embodiments of the present invention have been described in detail herein, it should be understood, by those of ordinary skill, that the present invention may be embodied in many other specific forms without departing from the spirit or scope of the invention.  Therefore, the present examples and embodiments are to be considered as illustrative and not restrictive, and the invention is not to be limited to the details provided therein, but may be modified and practiced within the scope of the appended claims.
3. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
[0038]
Figure 1 is a shear stress and strain diagram of water.
Figure 2 is a velocity flow profile for a flow of water on a surface of a semiconductor wafer.
Figure 3 is a shear stress and strain diagram of a non-Newtonian fluid, in accordance with one embodiment of the present invention.
Figure 4 is a velocity flow profile for a plug flow of a non-Newtonian fluid within a chamber, in accordance with one embodiment of the present invention.
Figure 5 is another velocity flow profile for a plug flow of a non-Newtonian fluid within the chamber, in accordance with one embodiment of the present invention.
Figure 6 is a flowchart diagram of a high level overview of a method for cleaning a substrate, in accordance with one embodiment of the present invention.
Figure 7 is a simplified perspective view of an apparatus for cleaning a substrate, in accordance with one embodiment of the present invention.
Figure 8 is a sectional, side view of the application unit shown in Figure 7.
Figure 9 is a velocity flow profile for a flow of a non-Newtonian fluid between the surface of apparatus and the surface of substrate shown in Figures 7 and 8, in accordance with one embodiment of the present invention.
Figure 10 is a simplified perspective view of another apparatus for cleaning a substrate, in accordance with one embodiment of the present invention.
Figures 11A-C show various, more detailed views of the apparatus shown in Figure 10 for cleaning a substrate, in accordance with one embodiment of the present invention.
Figures 12A and 12B are different velocity flow profiles for different flows of the non-Newtonian fluid through the chamber of Figures 10 and 11, in accordance with embodiments of the present invention.
1.  A method for cleaning a substrate, comprising method operations of:
filling a chamber with a non-Newtonian fluid;
placing the substrate into the chamber; and
forcing additional non-Newtonian fluids into the chamber to create a flow of the non-Newtonian fluid, at least a portion of the flow exhibiting plug flow, the substrate being placed within the chamber such that the portion of the flow exhibiting plug flow moves over a surface of the substrate to enable removal of particles from the surface.
2.  The method of claim 1, wherein the substrate is held within the chamber while enabling the non-Newtonian fluid to flow through the chamber.
3.  The method of claim 1, wherein the substrate is suspended in the non-Newtonian fluid, the non-Newtonian fluid being capable of supporting the substrate.
4.  The method of claim 1, wherein flow velocities within the portion of the flow exhibiting plug flow are substantially uniform.
5.  The method of claim 1, wherein the plug flow extends to about an entire amount of the flow.
6.  The method of claim 1, wherein the non-Newtonian fluid is defined as a soft condensed matter.
7.  The method of claim 1, wherein a direction of the flow of the non-Newtonian fluid is substantially parallel to the surface of the substrate.
8.  A method for cleaning a substrate, comprising method operations of:
providing a surface of an application unit disposed above a surface of the substrate; and
applying a flow of a non-Newtonian fluid between the surface of the application unit and the surface of the substrate, at least a portion of the flow exhibiting plug flow such that the portion of the flow exhibiting plug flow moves over the surface of the substrate to enable removal of particles from the surface of the substrate.
9.  The method of claim 8, wherein the portion of the flow that exhibits plug flow extends substantially between the surface of the application unit and the surface of the substrate.
10.  The method of claim 8, wherein the non-Newtonian fluid is defined as one or more of a foam, a colloid, and an emulsion.
11.  The method of claim 8, wherein the non-Newtonian fluid is defined as foam, the foam being configured to limit foam draining.
12.  A method for cleaning a substrate, comprising method operations of:
providing a flow of a non-Newtonian fluid, at least a portion of the flow exhibiting plug flow; and
placing a surface of the substrate in contact with the portion of the flow exhibiting plug flow such that the portion of the flow exhibiting plug flow moves over the surface to enable removal of particles from the surface.
13.  The method of claim 12, wherein a direction of the flow of the non-Newtonian fluid is substantially parallel to the surface of the substrate.
14.  The method of claim 12, wherein the substrate is immersed within the flow of the non-Newtonian fluid.
15.  An apparatus for cleaning a substrate, comprising:
an application unit configured to be disposed above a surface of the substrate and configured to receive a non-Newtonian fluid, the non-Newtonian fluid being capable of being applied to the surface to create a flow of the non-Newtonian fluid between the application unit and the surface, the flow having a portion that exhibits plug flow such that the plug flow moves over the surface to enable removal of particles from the surface.
16.  The apparatus of claim 15, wherein the application unit is configured to be placed proximate to the surface. 
17.  An apparatus for cleaning a substrate, comprising:
a chamber having a cavity in a form of a conduit, the conduit being capable of conveying a flow of a non-Newtonian fluid such that a portion of the flow exhibits plug flow, the chamber being configured to contain the substrate such that the plug flow moves over a surface of the substrate to enable removal of particles from the surface.
18.  The apparatus of claim 17, wherein a gap between a wall of the chamber and the surface of the substrate has a height in a range from about 50 microns to about 10 millimeters.
19.  The apparatus of claim 17, further comprising:
an input port in a wall of the chamber, the input port being configured to port the non-Newtonian fluid into the chamber.
20.  The apparatus of claim 17, wherein the chamber has an input end and an output end, the input end defining a first opening capable of receiving the substrate, the output end defining a second opening capable of outputting the substrate.
21.  The apparatus of claim 20, further comprising:
a holding pin within the chamber that is proximate to the second opening, the holding pin being configured to receive an edge of the substrate to prevent movement of the substrate while the plug flow moves over the surface of the substrate.
22.  The apparatus of claim 20, further comprising:
a panel proximate to the first opening configured to seal off the first opening.
1. ABSTRACT
A method for cleaning a substrate is provided.  In this method, a flow of non-Newtonian fluid is provided where at least a portion of the flow exhibits plug flow.  To remove particles from a surface of the substrate, the surface of the substrate is placed in contact with the portion of the flow that exhibits plug flow such that the portion of the flow exhibiting plug flow moves over the surface of the substrate.  Additional methods and apparatuses for cleaning a substrate also are described.
2. REPRESENTATIVE DRAWING
Fig. 6
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